Вода настолько обыденна, что её свойства кажутся само собой разумеющимися. Между тем химики считают её одним из самых необычных веществ: по многим показателям она ведёт себя не так, как следовало бы ожидать от столь простой молекулы. И почти каждая из этих странностей оказывается важной для жизни на Земле.
Маленькая молекула с характером
Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных не по прямой, а под углом. Кислород сильнее притягивает к себе электроны, поэтому на нём возникает небольшой отрицательный заряд, а на водородах — положительный. Молекула получается полярной, похожей на крошечный магнит с двумя полюсами.
Из-за этого молекулы воды притягиваются друг к другу: водород одной тянется к кислороду соседней. Такие связи называют водородными. Каждая из них слаба и существует ничтожное мгновение, но их очень много, и они непрерывно возникают заново. Именно эта подвижная сетка связей объясняет почти все необычные свойства воды.
Лёд, который не тонет
Почти все вещества при замерзании сжимаются, и твёрдые куски тонут в собственном расплаве. Вода поступает наоборот. В кристалле льда каждая молекула связана с четырьмя соседями и занимает строго определённое место; получается ажурная решётка с пустотами. В жидкой воде порядок нарушен, и молекулы упакованы плотнее. Поэтому лёд примерно на девять процентов легче воды и плавает.
Есть и вторая особенность: наибольшую плотность вода имеет не при замерзании, а при температуре около четырёх градусов выше нуля. Осенью остывающая вода опускается на дно водоёма, пока вся толща не охладится до этой температуры. Дальше более холодная вода остаётся наверху и там же превращается в лёд. Ледяная корка защищает глубину от мороза, и на дне озера всю зиму сохраняется жидкая вода, в которой переживают холода рыбы и другие обитатели.
Если бы лёд тонул, водоёмы промерзали бы снизу вверх, и летнего тепла могло бы не хватить, чтобы растопить их до дна.
Хранитель тепла
Чтобы нагреть воду, нужно затратить необычно много энергии — заметно больше, чем на нагрев такой же массы камня, песка или металла. Остывая, вода столько же тепла отдаёт. Поэтому моря и океаны работают как огромные аккумуляторы: летом запасают тепло, зимой возвращают. Отсюда мягкий климат побережий и резкие перепады температур в глубине материков.
Велика и теплота испарения. Чтобы вода превратилась в пар, ей нужно сообщить много энергии, и берёт она её у поверхности, с которой испаряется. На этом основано охлаждение тела при потоотделении и прохлада в лесу в жаркий день, когда листья испаряют влагу.
Растворитель и строитель
Полярные молекулы воды легко окружают и растаскивают частицы многих веществ — солей, сахаров, кислот. Поэтому вода растворяет больше разных соединений, чем любая другая обычная жидкость. Реки несут растворённые минералы в океан, почвенная влага доставляет питание корням, а кровь и клеточный сок — это прежде всего водные растворы.
Ещё одно следствие взаимного притяжения молекул — сильное поверхностное натяжение. Поверхность воды ведёт себя как упругая плёнка: капля стремится стать шариком, а водомерка бегает по пруду, не проваливаясь. Вместе со способностью воды смачивать стенки тонких трубок это помогает влаге подниматься по сосудам растений от корней к листьям.
Сколько воды на планете
Воды на Земле много, но почти вся она солёная. На пресную приходится лишь около двух с половиной — трёх процентов, причём большая её часть заключена в ледниках Антарктиды и Гренландии и в подземных горизонтах. Реки и озёра, из которых человек берёт воду, составляют совсем малую долю.
К счастью, вода постоянно обновляется: испаряется с поверхности океана, переносится ветрами, выпадает дождём и снегом и возвращается обратно по рекам. Этот круговорот работает как природный опреснитель.
Вокруг воды сложилось немало красивых, но не подтверждённых представлений — например, о том, что она способна «запоминать» слова или музыку. Строгие проверки таких эффектов не обнаруживают: водородные связи перестраиваются за ничтожные доли секунды. Настоящие свойства воды, установленные наукой, удивляют ничуть не меньше, и на них действительно держится жизнь.
